服務(wù)“一帶一路”沿線國家的衛(wèi)星綜合智能管控系統(tǒng)設(shè)想

● 文|航天恒星科技有限公司 閆東磊 齊昕滸 陳昕

一、引言

“一帶一路”地區(qū)沿線國家眾多，政治、經(jīng)濟(jì)、文化、社會(huì)差異性極大，各國對(duì)空間信息應(yīng)用的需求也存在較大差異性。以現(xiàn)有各國家空間信息為基礎(chǔ)，完善和細(xì)化“一帶一路”沿線國家用戶需求，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)現(xiàn)有在軌衛(wèi)星星群、規(guī)劃發(fā)射衛(wèi)星以及與國際衛(wèi)星資源的關(guān)系，進(jìn)行頂層統(tǒng)籌規(guī)劃。對(duì)不同衛(wèi)星的使用需求進(jìn)行分析和有效統(tǒng)籌，優(yōu)化調(diào)度衛(wèi)星及地面站資源；建立多星協(xié)同工作機(jī)制，集同多星完成復(fù)雜衛(wèi)星服務(wù)任務(wù)；設(shè)計(jì)針對(duì)國內(nèi)外通導(dǎo)遙衛(wèi)星及地面系統(tǒng)的效能評(píng)估。

二、需求分析

服務(wù)“一帶一路”沿線國家的通導(dǎo)遙衛(wèi)星綜合智能管控系統(tǒng)的設(shè)想中需要研究沿線國家通導(dǎo)遙衛(wèi)星資源綜合管控需求、各國用戶復(fù)雜多樣的需求、接收站網(wǎng)綜合調(diào)度需求、突發(fā)事件進(jìn)行快速響應(yīng)的需求。

1）沿線國家通導(dǎo)遙衛(wèi)星資源綜合管控需求。通導(dǎo)遙衛(wèi)星綜合智能管控系統(tǒng)的首要任務(wù)是衛(wèi)星資源的綜合應(yīng)用，在現(xiàn)有的單個(gè)國家的衛(wèi)星資源有限（尤其“一帶一路”沿線的不發(fā)達(dá)國家）且衛(wèi)星能力存在巨大差異和沿線國家遇到重大事件需要衛(wèi)星資源保障時(shí)，尚無獲得他國衛(wèi)星資源應(yīng)用的渠道。通過對(duì)沿線國家的通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星進(jìn)行綜合管控，有利于充分發(fā)揮各國衛(wèi)星應(yīng)用效益。其中，通信衛(wèi)星系統(tǒng)需要提供“一帶一路”衛(wèi)星寬帶廣播、移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，面向覆蓋“一帶一路”空域的各類民航客機(jī)飛行全過程的航空通信服務(wù)，面向覆蓋“一帶一路”海域的各類船舶海事通信服務(wù)；遙感衛(wèi)星系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)地球陸地表面、海洋、大氣等多種要素的連續(xù)綜合觀測，空間分辨率涵蓋高、中、低多個(gè)層次，觀測波段覆蓋可見光、紅外、微波等波段；導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)需要面向“一帶一路”沿線地區(qū)提供安全戰(zhàn)略導(dǎo)航服務(wù)，推動(dòng)智能交通、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧旅游、智慧港口、智能管網(wǎng)等新興行業(yè)。

2）用戶對(duì)通導(dǎo)遙衛(wèi)星的需求也復(fù)雜多樣。首先，通導(dǎo)遙衛(wèi)星不再局限于滿足主要用戶的需求，還需面向大量行業(yè)、區(qū)域、大眾用戶；第二，用戶需求不局限于單一衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)，需要不同尺度、不同類型的衛(wèi)星綜合實(shí)現(xiàn)；第三，用戶需求渠道多種多樣沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，用戶需求的復(fù)雜性需要通過智能化衛(wèi)星資源調(diào)度和管控系統(tǒng)來解決。

3）接收站網(wǎng)的綜合調(diào)度需求。要實(shí)現(xiàn)接收天線對(duì)在軌運(yùn)行衛(wèi)星的統(tǒng)籌接收，地面系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)時(shí)過境的衛(wèi)星情況，對(duì)各個(gè)接收站的接收天線進(jìn)行綜合調(diào)度。為滿足“一帶一路”空間遙感信息共享和服務(wù)平臺(tái)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收需求，地面系統(tǒng)按照統(tǒng)籌接收、協(xié)調(diào)兼顧的思路建設(shè)地面接收設(shè)施。地面接收站網(wǎng)由國內(nèi)站、極地站、移動(dòng)站構(gòu)成。國內(nèi)站以北京、西北、海南、東北為主站，西南站為輔助；極地站分布在南北兩極；移動(dòng)接收主要部署在海上科考船；衛(wèi)星中繼對(duì)接收能力進(jìn)行補(bǔ)充。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)“一帶一路”空間信息的海外市場推廣，地面接收資源的綜合管控還需考慮境外接收資源的調(diào)度，例如泰國、南非、委內(nèi)瑞拉、東盟各國的接收站設(shè)施，并可擴(kuò)展。

4）定標(biāo)與真實(shí)性檢驗(yàn)資源的綜合調(diào)度需求。衛(wèi)星性能的在軌定標(biāo)和真實(shí)性檢驗(yàn)，是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定量化應(yīng)用的關(guān)鍵。衛(wèi)星在軌定標(biāo)和真實(shí)性檢驗(yàn)實(shí)施前，需要根據(jù)定標(biāo)和檢驗(yàn)場的空間位置和定標(biāo)檢驗(yàn)的時(shí)間要求，對(duì)衛(wèi)星資源進(jìn)行綜合調(diào)度，安排成像計(jì)劃，因此衛(wèi)星定標(biāo)和檢驗(yàn)的需求也是衛(wèi)星綜合管控設(shè)計(jì)研制中需要考慮的內(nèi)容。

5）實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)事件的快速響應(yīng)需求。搶險(xiǎn)救災(zāi)等應(yīng)急行動(dòng)在時(shí)間、空間上具有很強(qiáng)的突發(fā)性和不確定性，對(duì)地觀測任務(wù)需要統(tǒng)籌調(diào)度遙感衛(wèi)星系統(tǒng)做出近實(shí)時(shí)快速響應(yīng)。因此突發(fā)事件不能遵循常規(guī)任務(wù)分時(shí)段、分批次的規(guī)劃調(diào)度模式，而必須充分利用敏捷衛(wèi)星的多維快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力、地球同步軌道衛(wèi)星的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力等特點(diǎn)，并考慮近實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)等環(huán)境條件的約束和衛(wèi)星變軌、補(bǔ)網(wǎng)等方式的可行性，突破應(yīng)急任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)整規(guī)劃技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在對(duì)原常規(guī)任務(wù)規(guī)劃方案的變動(dòng)盡可能小的情況下，盡可能好地滿足突發(fā)任務(wù)的需求。

三、智能管控與調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)思路

1.技術(shù)架構(gòu)

在衛(wèi)星管控技術(shù)方面，國內(nèi)在成像衛(wèi)星星地綜合調(diào)度技術(shù)[1]、多類型對(duì)地觀測衛(wèi)星聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃[2]、多類異構(gòu)對(duì)地觀測平臺(tái)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的方法進(jìn)行了研究[3]，同時(shí)也有對(duì)通導(dǎo)遙衛(wèi)星的衛(wèi)星通信、導(dǎo)航和遙感融合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[4]，也提出了智能規(guī)劃中領(lǐng)域知識(shí)的提取、推理和應(yīng)用策略研究[5]等內(nèi)容，結(jié)合國外對(duì)地觀測衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展[6]，提出“一帶一路”框架下通導(dǎo)遙衛(wèi)星綜合智能管控系統(tǒng)。

“一帶一路”通導(dǎo)遙衛(wèi)星綜合智能管控系統(tǒng)針對(duì)中俄、中巴、孟中印、中東、新疆、福建等“一帶一路”沿線國家和地區(qū)在重點(diǎn)工程、基礎(chǔ)設(shè)施、安全生產(chǎn)、林業(yè)、海洋、環(huán)境、資源相關(guān)領(lǐng)域調(diào)查、監(jiān)測、應(yīng)急保障的需求以及重點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)用需求，統(tǒng)籌可利用的通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星資源、國內(nèi)外地面站接收資源，協(xié)調(diào)有合作關(guān)系的國外衛(wèi)星管理機(jī)構(gòu)，建立面向“一帶一路”需求的衛(wèi)星組網(wǎng)規(guī)劃、智能化業(yè)務(wù)調(diào)度、資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測和效能評(píng)估體系。

系統(tǒng)主要具備兩種應(yīng)用模式：

模式一：基于現(xiàn)有各衛(wèi)星管理機(jī)構(gòu)業(yè)務(wù)運(yùn)行不變，頂層建立需求智能統(tǒng)籌、綜合衛(wèi)星管控。對(duì)國內(nèi)用戶以及“一帶一路”國際合作國家的衛(wèi)星服務(wù)需求進(jìn)行匯總、統(tǒng)籌分析；將需求分解為通信服務(wù)需求、遙感服務(wù)需求、導(dǎo)航服務(wù)需求；針對(duì)統(tǒng)籌的通信、遙感、導(dǎo)航服務(wù)需求對(duì)“一帶一路”沿線國家的通信、遙感、導(dǎo)航衛(wèi)星分別進(jìn)行衛(wèi)星軌道計(jì)算、任務(wù)規(guī)劃等，生成各遙感衛(wèi)星的觀測方案、通信衛(wèi)星調(diào)整方案、導(dǎo)航衛(wèi)星增強(qiáng)方案，向具體的國內(nèi)民用衛(wèi)星管理機(jī)構(gòu)和國際合作衛(wèi)星管理機(jī)構(gòu)提出衛(wèi)星使用申請(qǐng)并進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，由各衛(wèi)星管理機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)衛(wèi)星的載荷控制、數(shù)據(jù)接收任務(wù)。

模式二：將“一帶一路”國際合作國家接收站網(wǎng)資源使用情況透明化，建立接收站網(wǎng)交互使用機(jī)制，頂層進(jìn)行綜合規(guī)劃，統(tǒng)籌使用各國接收站網(wǎng)，提升星地資源的應(yīng)用效能。對(duì)國內(nèi)用戶以及“一帶一路”國際合作國家的衛(wèi)星服務(wù)需求進(jìn)行匯總、統(tǒng)籌分析；將需求分解為通信服務(wù)需求、遙感服務(wù)需求、導(dǎo)航服務(wù)需求；針對(duì)統(tǒng)籌的通信、遙感、導(dǎo)航服務(wù)需求對(duì)“一帶一路”沿線國家的通信、遙感、導(dǎo)航衛(wèi)星分別進(jìn)行衛(wèi)星軌道計(jì)算、任務(wù)規(guī)劃等，生成各遙感衛(wèi)星的觀測方案、通信衛(wèi)星調(diào)整方案、導(dǎo)航衛(wèi)星增強(qiáng)方案，如需調(diào)度使用國際合作國家的接收站網(wǎng)資源，則向相應(yīng)的資源管理部門發(fā)送資源使用申請(qǐng)。

“一帶一路”通導(dǎo)遙衛(wèi)星綜合智能管控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 “一帶一路”通導(dǎo)遙衛(wèi)星綜合智能管控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

2.系統(tǒng)組成

“一帶一路”通導(dǎo)遙衛(wèi)星綜合智能管控系統(tǒng)由需求管理、任務(wù)規(guī)劃、業(yè)務(wù)跟蹤調(diào)度、計(jì)劃管理、資源管理與共享、效能評(píng)估等6個(gè)部分組成，如圖2所示。

圖2 通導(dǎo)遙衛(wèi)星綜合智能管控系統(tǒng)組成圖

需求管理，主要功能是受理用戶的“一帶一路”區(qū)域內(nèi)的用戶需求，對(duì)國內(nèi)、國外用戶的需求分析歸類合并、消解沖突，分解形成通信服務(wù)需求、導(dǎo)航服務(wù)需求和遙感服務(wù)需求，根據(jù)衛(wèi)星軌道和載荷特性，通過任務(wù)仿真分析用戶需求覆蓋度、提出可選的觀測方案，將受理的需求轉(zhuǎn)化為通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星任務(wù)等。

任務(wù)規(guī)劃，主要功能是對(duì)通信、遙感、導(dǎo)航衛(wèi)星分別進(jìn)行衛(wèi)星軌道計(jì)算、任務(wù)規(guī)劃等，生成各遙感衛(wèi)星的觀測方案、通信衛(wèi)星調(diào)整方案、導(dǎo)航衛(wèi)星增強(qiáng)方案，一方面協(xié)調(diào)國內(nèi)外各衛(wèi)星管理機(jī)構(gòu)，另一方面制定數(shù)據(jù)接收計(jì)劃，并向可交互使用接收站網(wǎng)下達(dá)。

計(jì)劃管理，主要功能是根據(jù)任務(wù)規(guī)劃分系統(tǒng)制定的通信、遙感、導(dǎo)航衛(wèi)星載荷方案和接收方案，制定各衛(wèi)星觀測和國內(nèi)外地面站數(shù)據(jù)接收計(jì)劃；根據(jù)各衛(wèi)星指令模板約束，生成載荷控制指令并發(fā)送到測控系統(tǒng)；接收處理遙測數(shù)據(jù)，跟蹤監(jiān)視衛(wèi)星及載荷的工作狀態(tài)，對(duì)各類衛(wèi)星的計(jì)劃結(jié)果進(jìn)行定量評(píng)定，利用計(jì)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真顯示等。

業(yè)務(wù)跟蹤調(diào)度，主要功能是建立系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程模型，控制系統(tǒng)的運(yùn)行模式，組織調(diào)度各類任務(wù)計(jì)劃實(shí)施，獲取任務(wù)計(jì)劃執(zhí)行狀態(tài)，綜合顯示星地運(yùn)行狀態(tài)，保障系統(tǒng)高效有序運(yùn)行。協(xié)調(diào)調(diào)度國外合作機(jī)構(gòu)的遙感衛(wèi)星資源，向它們提交衛(wèi)星任務(wù)申請(qǐng)，獲取任務(wù)執(zhí)行反饋信息。

資源管理與共享，主要功能是監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、接收設(shè)備、計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)備情況，統(tǒng)籌數(shù)據(jù)傳輸能力，為各行業(yè)用戶的數(shù)據(jù)共享提供網(wǎng)絡(luò)資源保障。建立數(shù)據(jù)共享協(xié)調(diào)規(guī)則，對(duì)獲取的“一帶一路”數(shù)據(jù)資源進(jìn)行協(xié)調(diào)，對(duì)各應(yīng)用用戶的定制產(chǎn)品、通用基礎(chǔ)產(chǎn)品和專用產(chǎn)品等成果資源建立統(tǒng)一的索引規(guī)則，構(gòu)建應(yīng)用成果共享的檢索體系。

效能評(píng)估，主要功能是統(tǒng)計(jì)分析用戶需求滿足情況、任務(wù)執(zhí)行成功率、任務(wù)異常原因等，分析衛(wèi)星指標(biāo)滿足情況、生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量以及數(shù)據(jù)共享情況。

3.系統(tǒng)接口關(guān)系

“一帶一路”通導(dǎo)遙衛(wèi)星綜合智能管控系統(tǒng)外部接口如圖3所示。

圖3 “一帶一路”通導(dǎo)遙衛(wèi)星綜合智能管控系統(tǒng)外部接口圖

四、 系統(tǒng)仿真與效能評(píng)估

效能評(píng)估從用戶需求滿足情況、系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行正常、異常情況、系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)滿足情況、星地資源利用情況、產(chǎn)品生產(chǎn)與數(shù)據(jù)共享等方面進(jìn)行監(jiān)管與評(píng)價(jià)，建立運(yùn)行評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫，編制各類運(yùn)行評(píng)價(jià)報(bào)告。

需求滿足情況評(píng)估：統(tǒng)計(jì)用戶提交的觀測需求數(shù)量、目標(biāo)數(shù)量、需求完成率、已獲取的產(chǎn)品數(shù)量等。

衛(wèi)星效能評(píng)估：從衛(wèi)星需求滿足情況、衛(wèi)星運(yùn)行正常、異常情況等方面進(jìn)行監(jiān)管與評(píng)價(jià)，建立運(yùn)行評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫，編制各類運(yùn)行評(píng)價(jià)報(bào)告。

地面接收站效能評(píng)估：從地面接收站需求滿足情況、運(yùn)行正常、異常情況等方面進(jìn)行監(jiān)管與評(píng)價(jià)，建立運(yùn)行評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫，編制各類運(yùn)行評(píng)價(jià)報(bào)告。

任務(wù)質(zhì)量評(píng)估：從任務(wù)完成質(zhì)量滿足情況、任務(wù)完成度等方面進(jìn)行監(jiān)管與評(píng)價(jià)，建立運(yùn)行評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫，編制各類運(yùn)行評(píng)價(jià)報(bào)告。

五、 結(jié)論

通過對(duì)“一帶一路”沿線國家的通導(dǎo)遙衛(wèi)星綜合智能管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，綜合調(diào)度沿線國家通導(dǎo)遙衛(wèi)星，可以在應(yīng)急減災(zāi)、氣象預(yù)報(bào)、海洋監(jiān)測等方面提升服務(wù)能力，在“一帶一路”發(fā)展框架下，更好地利用空間資源為沿線國家和地區(qū)提供服務(wù)。

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